研究人员开发出一种新型纳米管晶体可以直接观察固体中的电子转移

电子转移 (ET) 是电子从一个原子或分子转移到另一个原子或分子的过程。ET 是电化学反应的基础，可应用于许多领域。纳米级 ET 涉及固体中 1-100 纳米范围内的电子转移，是多功能材料设计的基础。然而，这一过程尚未被清楚地理解。

纳米管是一种具有独特圆柱形纳米结构的纳米材料，具有多种电子转移特性，可通过将电子和空穴(电子留下的空位)注入纳米管来实现，使其成为研究纳米级电子转移的合适候选材料。尽管碳基纳米管具有令人着迷的电子转移特性，但由于合成时需要高温等极端条件，因此它们的形状和大小特别难以控制。制造定义明确的可调纳米管的一种可行方法是自下而上地制造非共价纳米管，有时会产生结晶形式的纳米管。非共价纳米管是通过原子之间固有的吸引力相互作用或非共价相互作用形成的，而不是碳纳米管中看到的强共价相互作用。然而，它们的强度不足以承受电子和空穴注入，这会破坏它们的非共价相互作用并破坏它们的晶体结构。

在最近的一项研究中，东京理科大学应用化学系的一个研究小组，由 Junpei Yuasa 教授领导，成员包括 Daiji Ogata 博士、Shota Koide 先生和 Hiroyuki Kishi 先生，使用一种新方法直接观察固态 ET。Yuasa 教授解释说：“我们开发了具有特殊双​​壁结构的晶体纳米管。通过固态氧化反应将电子供体分子掺入这些晶体纳米管的孔中，我们成功地利用 X 射线晶体结构分析直接观察了固体中的电子转移反应。”他们的研究成果于 2024 年 5 月 23 日发表在《自然通讯》杂志上。

研究人员使用一种新颖的超分子结晶方法(涉及基于氧化的结晶)来制造锌基双壁结晶纳米管。这种纳米管壁上有大窗口的双壁结构使晶体足够坚固和灵活，可以在受到电子转移氧化过程时保持其结晶状态。此外，这种结构还允许晶体吸收电子供体分子。研究人员使用二茂铁和四硫富瓦烯作为电子供体分子，它们通过纳米管晶体的窗口被吸收。这使得电子可以通过固态电子转移氧化反应从吸收的电子供体中移除，从而导致纳米管内供体中空穴的积累。由于晶体的坚固性，研究人员能够使用 X 射线晶体结构分析直接观察这一电子转移氧化过程，从而发现关键见解。

这种新方法对于直接观察固体纳米材料中的 ET 非常有价值。Yuasa 教授强调了这项研究的潜在应用，他说：“了解 ET 可以促进新型功能材料的开发，进而可以设计出更高效的半导体、晶体管和其他电子设备。光电设备(例如太阳能电池)严重依赖 ET。因此，直接观察 ET 有助于提高这些设备的性能。此外，这种方法还可以促进储能、纳米技术和材料科学研究的进步。”

总的来说，这项研究是直接观察固态电子显微术的一个显著例子，可以扩展到观察其他纳米材料中的电子显微术和相关现象。